基于5G 通信技術(shù)的采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

宋革非

（山西焦煤西山煤電股份有限公司馬蘭礦， 山西 古交 030205）

引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的飛速發(fā)展，煤炭需求量不斷增加，煤炭生產(chǎn)安全問(wèn)題備受關(guān)注[1]。傳統(tǒng)的煤炭生產(chǎn)作業(yè)受采掘設(shè)備、人員的技術(shù)水平等制約，安全事故時(shí)有發(fā)生，危及工作人員的生命安全，給煤炭企業(yè)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，因此較為先進(jìn)的安全操控模式亟待開發(fā)[2-3]。目前出現(xiàn)了技術(shù)先進(jìn)的5G 通信、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，在生產(chǎn)生活中得到了一定范圍的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了智能操控，取得了很好的應(yīng)用效果[4]。煤礦井下作業(yè)環(huán)境極為惡劣，將5G 通信技術(shù)應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)機(jī)械的遠(yuǎn)程控制，將極大地提高煤礦企業(yè)生產(chǎn)的作業(yè)的安全性，確保井下作業(yè)人員的安全，保證煤炭企業(yè)的生產(chǎn)產(chǎn)能和效率[5-6]。針對(duì)某煤炭企業(yè)建設(shè)為背景，以采煤機(jī)為研究對(duì)象，研究采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用，對(duì)于提升企業(yè)的產(chǎn)能和安全具有重要意義。

1 5G 技術(shù)概述

所謂的5G 技術(shù)指的是第五代移動(dòng)通信技術(shù)，基于現(xiàn)有4G 成熟技術(shù)發(fā)展而來(lái)，故而稱之為5G，屬于新一代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)。相較于現(xiàn)有的4G 技術(shù)，5G 技術(shù)通信速度更快，系統(tǒng)完善度更高。當(dāng)前的5G技術(shù)涉及兩個(gè)頻率段，分別為FR1 和FR2，主要的頻率范圍處在450 MHz～6 GHz，也稱作Sub6G。2019 年之后至今，5G 商用步伐較快，幾乎全球都在簽訂5G合同，也投入了大量的人力、物力和財(cái)力，試圖攻克5G 技術(shù)瓶頸。我國(guó)5G 技術(shù)開始于FR1 頻段，屬于主頻，具有頻率低、繞射能力強(qiáng)，覆蓋效率好的特點(diǎn)，最大帶寬能夠支持100 Mbit/s。

2 總體結(jié)構(gòu)

基于某煤炭企業(yè)采煤機(jī)及其遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)的功能要求，完成了采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1 所示，主要涉及3 個(gè)子系統(tǒng)，包括機(jī)車車載子系統(tǒng)、遠(yuǎn)程操控子系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信子系統(tǒng)。機(jī)車車載子系統(tǒng)主要作用是控制與監(jiān)測(cè)車輛的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，提供防護(hù)控制等，保證采煤機(jī)能夠按照規(guī)定的開采作業(yè)要求完成作業(yè)功能，是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。遠(yuǎn)程遙控子系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信息，完成人機(jī)交互；網(wǎng)絡(luò)通信子系統(tǒng)主要作用是車載單元和操控單元之間的無(wú)線通信，傳輸數(shù)據(jù)信息。三個(gè)子系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合完成采煤機(jī)遠(yuǎn)程遙控工作，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的采掘要求，提高采煤機(jī)采煤效率。

圖1 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)車車載子系統(tǒng)

機(jī)車車載子系統(tǒng)設(shè)置在采煤機(jī)上，涉及的硬件有車載遙控接收器、中央控制器、各類傳感器、電源等。

3.1.1 車載遙控接收器

遙控接收器實(shí)為無(wú)線接收器，接收遙控發(fā)出的控制指令數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)功能邏輯進(jìn)行數(shù)字量和PWM 的輸出。接收器的主要功能涉及無(wú)線通信鏈路的建設(shè)，接收無(wú)線遙控器發(fā)送的控制指令，以PWM 信號(hào)的形式輸出電磁閥控制數(shù)據(jù)，以數(shù)字信號(hào)形式輸出繼電器控制信號(hào)，以模擬量信號(hào)的形式輸出調(diào)節(jié)控制參數(shù)。與此同時(shí)，還能夠持續(xù)采集采煤機(jī)的工作情況信息，實(shí)現(xiàn)與中央控制器之間的數(shù)據(jù)交換。此處選擇的是型號(hào)為EC601-MJJ-MU-01 的車載無(wú)線接收器，

3.1.2 中央控制器

中央控制器作為遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，主要作用是數(shù)據(jù)采集、位姿調(diào)整、自適應(yīng)控制等。具體的工作是建立與遙控器之間的數(shù)據(jù)通訊，獲取采煤機(jī)的運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)信息、自適應(yīng)動(dòng)作控制、發(fā)出采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制指令等。此處選擇的是型號(hào)為EC601-MJJ-MU-02 的礦用隔爆兼本安型車載中央控制器。

3.1.3 隔爆兼本安型電源箱

采煤機(jī)井下作業(yè)環(huán)境極為惡劣，包括高濕度、高濃度瓦斯氣體、腐蝕顆粒等，因此對(duì)于電源的選擇至關(guān)重要。機(jī)載電源箱需要具有很好的續(xù)航能力，同時(shí)，也要具有很好防爆性能，以此保證遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)供電可靠工作。此處選擇了型號(hào)為KDW127/24 的礦用隔爆兼本安型穩(wěn)壓電源。此種電源具備AC127 V 輸入接口，還具有多個(gè)DC 24 V 的接口，具備同時(shí)為遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)提供穩(wěn)定電源的能力。

3.2 遠(yuǎn)程遙控子系統(tǒng)

3.2.1 遙控發(fā)送器

遠(yuǎn)程遙控子系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件是遙控發(fā)送器，此處選擇了型號(hào)為EC601-MJJ-SU-01 的礦用本安型遙控發(fā)送器，采用了開關(guān)模式和手柄兩種模式，控制指令的傳輸采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)完成。遙控發(fā)送器具有較多的優(yōu)勢(shì)，包括實(shí)時(shí)性強(qiáng)、質(zhì)量輕、體積小等，與此同時(shí)，發(fā)送器中集成了多個(gè)輸入輸出電路，具有較高參數(shù)配置的微處理器。設(shè)置了指示燈，用于實(shí)時(shí)顯示遙控器、接收器工作狀態(tài)，涉及操控指令、信號(hào)強(qiáng)度、電池電量等。

3.2.2 遠(yuǎn)程遙控平臺(tái)

遠(yuǎn)程遙控平臺(tái)選擇的型號(hào)為EC601-MJJ-SU-02，屬于煤礦井下專用的平臺(tái)，充分體現(xiàn)了人機(jī)工程學(xué)原理，具有很好的使用性能。平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)也考慮了機(jī)器型號(hào)和控制要求，配置了遙控使用的撥動(dòng)開關(guān)、按鈕等，對(duì)應(yīng)的控制功能經(jīng)過(guò)無(wú)線通信方式發(fā)送至采煤機(jī)中的無(wú)線接收器，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)遠(yuǎn)程遙控的實(shí)時(shí)動(dòng)作。遠(yuǎn)程遙控平臺(tái)上具備雙屏計(jì)算機(jī)工作站，分別用于顯示視頻動(dòng)畫和自動(dòng)控制軟件的主界面。

3.2.3 服務(wù)器軟件

服務(wù)器軟件主要置于上位機(jī)位置，系統(tǒng)搭建基于Win7 系統(tǒng)完成，使用的是C/S（Client/Server）架構(gòu)。服務(wù)器軟件可與車載遙控器接收器互通數(shù)據(jù)信息，及時(shí)獲取采煤機(jī)的運(yùn)行參數(shù)數(shù)值和各個(gè)開關(guān)量的狀態(tài)信息，以及自適應(yīng)控制信息等，實(shí)時(shí)為遠(yuǎn)程操控人員提供實(shí)時(shí)信息。

3.3 網(wǎng)絡(luò)通信子系統(tǒng)

3.3.1 無(wú)線中繼器

系統(tǒng)無(wú)線中繼器選擇型號(hào)為ZJT9-Z，專門用于煤礦礦山環(huán)境中使用的一款，如圖2 所示，具有快速組裝功能，是便于遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)使用的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。ZJT9-Z 型的無(wú)線中繼器具有無(wú)線混頻光纖備份通信技術(shù)便攜式高帶寬無(wú)線中繼迅速組網(wǎng)技術(shù)，高帶寬計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等。

圖2 無(wú)線中繼器

3.3.2 5G 通信模組

5G 通信模組用于數(shù)字化傳輸，集成了單片機(jī)和無(wú)線通信技術(shù)，具備高性能數(shù)據(jù)傳輸功能。內(nèi)部自帶無(wú)線收發(fā)模塊，完成單片機(jī)對(duì)采煤機(jī)控制指令和數(shù)據(jù)信息的接收和發(fā)送，是一種FSK，采用的是GFSK 調(diào)制模式。遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)采用5G 通信模組，在遙控發(fā)送器和遙控接收器之間完成指令和數(shù)據(jù)的傳輸和交互，以保障遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)整體功能的實(shí)現(xiàn)。此處選擇型號(hào)為GM800 的5G 通信模組，實(shí)物如圖3 所示。

圖3 5G 通信模組

3.3.3 5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G 通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4 所示，包括核心網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)、地面5G 基站、井下5G 基站和Hub 等。地面無(wú)線信號(hào)收發(fā)采用有源天線，使其與室內(nèi)基帶處理單元相通；煤礦井下采用射頻拉遠(yuǎn)單元進(jìn)行無(wú)線信號(hào)傳輸，井下的Hub 負(fù)責(zé)匯集無(wú)線信號(hào)，與地面的BBU 可以互通信息。配置的5G 通信模組經(jīng)5G CPE 與5G網(wǎng)絡(luò)連接，采煤機(jī)各種信號(hào)采集裝置獲取的信息，傳輸至遠(yuǎn)程應(yīng)用服務(wù)器。遠(yuǎn)程遙控過(guò)程中5G 網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性管理的信息通信由5G 載體和5G 核心網(wǎng)互通對(duì)接完成。

圖4 5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證基于5G 通信技術(shù)的采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，將其應(yīng)用于某煤炭企業(yè)采煤機(jī)遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)中進(jìn)行試運(yùn)行，跟蹤記錄系統(tǒng)應(yīng)用情況，應(yīng)用結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)遠(yuǎn)程遙控實(shí)時(shí)無(wú)線通信的目的。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，5G 通信技術(shù)的引入，提高了采煤機(jī)遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)近1.3 倍的信息傳輸速率，大大提高了采煤機(jī)作業(yè)人員的安全性，及時(shí)了解采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)及故障信息，節(jié)約了近2～3 名采煤機(jī)的運(yùn)行維護(hù)人員，降低了煤炭生產(chǎn)成本，預(yù)計(jì)為煤炭企業(yè)新增經(jīng)濟(jì)效益近100 萬(wàn)元，取得了很好的應(yīng)用效果。